(57)【要約】  本発明は、プラスチック成形用金型に適した鋼に関する。この鋼は次に示す主成分（単位：ｗｔ．％）を含む：Ｃ：０．０２〜０．０４、Ｓｉ：０．１〜０．４、Ｍｎ：０．１〜０．５、Ｃｒ：１１〜１３、Ｎｉ：７〜１０、Ｍｏ：１〜２５、Ａｌ：１．４〜２．０、Ｎ：０．０１〜０．１５、任意選択的な元素および残部である不純物。さらに本発明は、上記合金から作製されたプレアロイ粉、この種の粉の使用に加えて、上記粉から製造されたＡＭ造形品にも関する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラスチック成形用金型を作製するための鋼であって、前記鋼は、重量％（ｗｔ．％）で：
【表１】
2019523821.tif 000011
からなる、鋼。
【請求項２】
次に示す要件の少なくとも１つを満たす、請求項１に記載の鋼：
【表２】
2019523821.tif 000012
および／または
前記鋼の平均硬さは３２０〜５１０ＨＢＷ１０／３０００の範囲にあり（ここで、前記鋼の厚さは少なくとも１００ｍｍであり、ＡＳＴＭ  Ｅ１０−０１に準拠して測定された厚さ方向の平均ブリネル硬さからの最大偏差は１０％未満、好ましくは５％未満であり、ここで、くぼみの中心から試験片の縁までもしくは他のくぼみの縁までの最小距離は、前記くぼみの直径の少なくとも２．５倍であるべきであり、最大距離は、前記くぼみの直径の４倍以下であるべきである）、
および／または
前記鋼は、微細スラグに関するＡＳＴＭ  Ｅ４５−９７，Ａ法に準拠する清浄度が次に示す上限要件を満たす。
【表３】
2019523821.tif 000013
【請求項３】
Ｓが合金化されておらず、かつ次に示す要件の少なくとも１つを満たす、請求項１または２に記載の鋼：
【表４】
2019523821.tif 000014
ここで、微細構造は次に示す要件の少なくとも１つを満たす：
マトリックスのマルテンサイト含有率は≧７５体積％である、
マトリックスのδ−フェライト含有率は≦７体積％である、
マトリックスのオーステナイト含有率は２〜２０体積％である、
マトリックスの硬さは４０〜５６ＨＲＣである、
全てのＡｌＮ粒子の粒子径は≦４μｍである、
衝撃靭性（ノッチなし）は≧２００Ｊである、
圧縮降伏強度Ｒｃ０．２は引張降伏強度Ｒｐ０．２よりも１０〜３０％高い。
【請求項４】
次に示す要件を満たす、請求項１に記載の鋼：
【表５】
2019523821.tif 000015
ここで、微細構造は次に示す要件の少なくとも１つを満たす：
マトリックスのマルテンサイト含有率は≧８０体積％である、
マトリックスのオーステナイト含有率は４〜２０体積％である。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の組成を有するプレアロイ粉。
【請求項６】
前記粉はガスアトマイズにより製造され、前記粉の粒子の少なくとも８０％の粒子径は５〜１５０μｍの範囲にあり、前記粉は次に示す要件の少なくとも１つを満たす：
【表６】
2019523821.tif 000016
（ここで、ＳＰＨＴ＝４πＡ／Ｐ２（式中、Ａは粒子の投影面積の測定値であり、Ｐは粒子投影像の周長／輪郭の長さの測定値である）であり、真円度（ＳＰＨＴ）は、ＩＳＯ  ９２７６−６に準拠しカムサイザーで測定され、ｂは粒子投影像の最短幅であり、ｌは最長径である）、請求項５に記載のプレアロイ粉。
【請求項７】
前記粉の粒子の少なくとも９０％の粒子径は１０〜１００μｍの範囲にあり、前記粉は、次に示す要件の少なくとも１つを満たす：
【表７】
2019523821.tif 000017
請求項６に記載のプレアロイ粉。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか一項に記載のプレアロイ粉を使用する積層造形法により造形された物品であって、前記物品は、次に示す要件の少なくとも１つを満たす：
マトリックスのマルテンサイト含有率は≧８０体積％である、
マトリックスのδ−フェライト含有率は≦５体積％である、
マトリックスのオーステナイト含有率は２〜２０体積％である、
マトリックスの硬さは３４〜５６ＨＲＣである、
全てのＡｌＮ粒子の粒子径は≦４μｍである、
造形方向に垂直な方向のシャルピー衝撃強さ（Ｖノッチ付き）は≧５Ｊである、
造形方向に垂直な方向の引張強度Ｒｍは≧１６００ＭＰａである、
造形方向に垂直な方向の降伏強度Ｒｃ０．２は≧１５００ＭＰａである、
造形方向に垂直な方向の圧縮降伏強度Ｒｃ０．２は引張降伏強度Ｒｐ０．２よりも少なくとも１０％高い、
物品。
【請求項９】
前記物品は、プラスチック成形用金型の少なくとも一部であり、前記物品は、次に示す要件の少なくとも１つを任意に満たし：
マトリックスのマルテンサイト含有率は≧８５体積％である、
マトリックスのδ−フェライト含有率は≦２体積％である、
マトリックスのオーステナイト含有率は４〜１５体積％である、
マトリックスの硬さは４０〜５０ＨＲＣである、
造形方向に垂直な方向のシャルピー衝撃強さ（Ｖノッチ付き）は≧１０Ｊである、
および／または
前記物品は、微小スラグに関するＡＳＴＭ  Ｅ４５−９７，Ａ法に準拠する清浄度が次に示す上限要件を満たす：
【表８】
2019523821.tif 000018
請求項８に記載の物品。
【請求項１０】
熱間等方圧加圧法、粉末押出法および積層造形法のいずれかを用いて固体物体を作製するための、または溶射、レーザクラッディング、コールドスプレーもしくは肉盛溶接によって基材に表面層を付与するための、請求項５〜７のいずれか一項に記載のプレアロイ粉の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鋼に関する。特に本発明は、プラスチック成形用金型の製造に適した析出硬化系鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
析出硬化系ステンレス鋼には１７−７ＰＨ、１７−４ＰＨ、１５−５ＰＨ、ＰＨ１５−７Ｍｏ、ＰＨ１４−８ＭｏおよびＰＨ１３−８Ｍｏの鋼種が含まれる。後者の鋼種は１．４５３４、Ｘ３ＣｒＮｉＭｏＡｌ１３−８−２およびＳ１３８００とも称される。ＰＨ１３−８Ｍｏの化学組成（重量％）は、Ｃ：≦０．０５、Ｓｉ：≦０．１、Ｍｎ：≦０．１、Ｐ：≦０．０１、Ｓ：≦０．００８、Ｃｒ：１２．２５〜１３．２５、Ｎｉ：７．５〜８．５、Ｍｏ：２．０〜２．５、Ｎ：≦０．０１、Ｔｉ：≦０．１、Ａｌ：０．８〜１．３５、残部Ｆｅである。この鋼種はＢｏｅｈｌｅｒ  Ｎ７０９として知られている。
【０００３】
ＥＰ４５９５４７号には、プラスチック成形用金型に使用することが意図された析出硬化系ステンレス鋼が開示されており、研磨性を損なう硬質な窒化物の形成を回避するために、窒素含有量が可能な限り制限されている。
【０００４】
この種の鋼は、高強度および良好な靭性が求められる部品によく使用されている。この鋼の典型的な用途は、航空機部品、スプリングおよびプラスチック成形用金型である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これらの鋼の多くは、溶体化処理された状態で流通しており、これを時効処理することによって３４〜５２ＨＲＣの範囲の硬さまで硬化することができる。重要な特性は、高強度および耐食性に加えて、良好な研磨性である。さらに、プラスチック成形用金型用鋼は、良好な被削性および鋼を予熱も後熱も行うことなく溶接することができるような良好な溶接性も有すべきである。
【０００６】
発明の開示
本発明は、ＰＨ１３−８Ｍｏ種の合金の代替的な組成物に関する。
【０００７】
本発明の目的は、プラスチック成形用金型に適した改良された特性プロファイルを有する鋼を提供することにある。特に本発明は、高い強度および靭性に加えて高い清浄度、良好な研磨性を有し、大型寸法においても均一な特性を示す、金型用析出硬化系鋼を提供することを目的とする。さらに本発明は、粉末形態の鋼、特に、これらに限定されるものではないが、積層造形（ＡＭ）に適した鋼粉も提供することを目的とする。
【０００８】
さらなる目的は、長寿命物品を得るために使用することができる鋼を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的およびさらなる利点は、合金に関し特許請求の範囲に定義する鋼を提供することによりかなりの程度まで達成される。高く均一な硬さおよび高い靭性を兼ね備えた鋼は、押し込みに対する良好な耐性を有すると共に予期せぬ破損のリスクが最小限に抑えられ、より安全な金型が得られると共に、金型寿命が長くなる。本発明者らは、硬質の窒化アルミニウムの最大径が４μｍを超えないように制御することにより、良好な研磨性を有する鋼を得ることが可能であることを見出した。
【００１０】
本発明を特許請求の範囲に定義する。
【００１１】
全体的な目的は、以下から構成される（単位：重量％（ｗｔ．％））鋼を提供することにより解決される。
【００１２】
【表１】
2019523821.tif 000002
【００１３】
好ましくは、本発明の鋼は、次に示す要件の少なくとも１つを満たす。
【００１４】
【表２】
2019523821.tif 000003
【００１５】
および／または、この鋼の平均硬さは３２０〜５１０ＨＢＷ１０／３０００の範囲にあり、ここで、鋼の厚さは少なくとも１００ｍｍであり、ＡＳＴＭ  Ｅ１０−０１に準拠して測定された厚さ方向の平均ブリネル硬さからの最大偏差は１０％未満、好ましくは７％未満、５％未満、３％未満もしくは１％未満でさえあり、ここで、くぼみの中心から試験片の縁までもしくは他のくぼみの縁までの最小距離は、くぼみの直径の少なくとも２．５倍であるべきであり、最大距離はくぼみの直径の４倍以下であるべきであり、および／またはこの鋼は、微細スラグに関しＡＳＴＭ  Ｅ４５−９７，Ａ法に準拠して測定された清浄度が、次に示す上限要件（maximum requirement）を満たす。
【００１６】
【表３】
2019523821.tif 000004
【００１７】
好ましくは、本発明の鋼は、次に示す上限要件を満たす清浄度を有する。
【００１８】
【表４】
2019523821.tif 000005
【００１９】
本発明の鋼は、被削性を改善するためにＳを合金化することができる。しかしながら、鋼が特に粉末冶金（ＰＭ）により製造される場合は、必ずしもＳを合金化する必要はない。したがって、鋼の組成は、次に示す要件の少なくとも１つを満たすことができる。
【００２０】
【表５】
2019523821.tif 000006
【００２１】
ここで、微細組織は、次に示す要件の少なくとも１つを満たすことができる：
マトリックスのマルテンサイト含有率は≧７５体積％である、
マトリックスのδ−フェライト含有率は≦７体積％である、
マトリックスのオーステナイト含有率は２〜２０体積％である、
マトリックスの硬さは４０〜５６ＨＲＣである、
全てのＡｌＮ粒子の粒子径は≦４μｍである、
衝撃靭性（ノッチなし）は≧２００Ｊである、
圧縮降伏強度Ｒｃ０．２は引張降伏強度Ｒｐ０．２よりも１０〜３０％高い。
【００２２】
特定の実施形態において、鋼は次に示す要件を満たす。
【００２３】
【表６】
2019523821.tif 000007
【００２４】
ここで、微細組織は、次に示す要件の少なくとも１つを満たす：
マトリックスのマルテンサイト含有率は≧８０体積％である、
マトリックスのオーステナイト含有率は４〜２０体積％である。
【００２５】
本発明の合金鋼は、上に示した組成を有するプレアロイ粉の形態で提供することができる。
【００２６】
プレアロイ粉はガスアトマイズにより製造することができる。この粉末が次に示す要件の少なくとも１つを満たすように、粉末粒子の少なくとも８０％は粒子径が５〜１５０μｍの範囲にあることが好ましい。
【００２７】
【表７】
2019523821.tif 000008
【００２８】
ここで、ＳＰＨＴ＝４πＡ／Ｐ２（式中、Ａは、粒子の投影面積の測定値であり、Ｐは、粒子の投影像の周長／輪郭の長さの測定値であり、真円度（ＳＰＨＴ）は、ＩＳＯ  ９２７６−６に準拠しカムサイザー（Ｃａｍｓｉｚｅｒ）で測定され、ｂは、粒子投影像の最短幅であり、ｌは最長径である）である。
【００２９】
本発明の粉末は、粉末粒子が少なくとも９０％の粒子径が１０〜１００μｍの範囲にあり、かつ、次に示す要件の少なくとも１つを満たすことさえ可能である。
【００３０】
【表８】
2019523821.tif 000009
【００３１】
上述のプレアロイは、積層造形法を用いて物品を形成するために使用することができる。この物品は次に示す要件の少なくとも１つを満たすことができる：
マトリックスのマルテンサイト含有率は≧８０体積％である、
マトリックスのδ−フェライト含有率は≦５体積％である、
マトリックスのオーステナイト含有率は２〜２０体積％である、
マトリックスの硬さは３４〜５６ＨＲＣである、
全てのＡｌＮ粒子の粒子径は≦４μｍである、
造形方向に垂直な方向のシャルピー衝撃強さ（Ｖノッチ付き）は≧５Ｊである、
造形方向に垂直な方向の引張強度Ｒｍは≧１６００ＭＰａである、
造形方向に垂直な方向の降伏強度Ｒｃ０．２は≧１５００ＭＰａである、
造形方向に垂直な方向の圧縮降伏強度Ｒｃ０．２は引張降伏強度Ｒｐ０．２よりも少なくとも１０％高い。
【００３２】
好ましくは、物品は、プラスチック成形用金型の少なくとも一部であり、上記物品は、任意に、次に示す要件の少なくとも１つを満たすことができる：
マトリックスのマルテンサイト含有率は≧８５体積％である、
マトリックスのδ−フェライト含有率は≦２体積％である、
マトリックスのオーステナイト含有率は４〜１５体積％である、
マトリックスの硬さは４０〜５０ＨＲＣである、
造形方向に垂直な方向のシャルピー衝撃強さ（Ｖノッチ付き）は≧１０Ｊである。
【００３３】
本発明はまた、熱間等方圧加圧法、粉末押出法および積層造形法のいずれかを用いて固体物品を作製するための、または溶射、レーザクラッディング、コールドスプレー法もしくは肉盛溶接によって基材上に表面層を付与するための、本発明のプレアロイ粉の使用にも関する。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
特許請求の範囲に記載の合金の化学成分の個々の元素およびそれらの互いの相互作用に加えてそれらを限定することの重要性を以下に簡単に説明する。本明細書全体を通して、鋼の化学組成に関する百分率は全て重量％（ｗｔ．％）で与える。硬質相の量は体積％（ｖｏｌ．％）で与える。個々の元素の上限値および下限値は特許請求の範囲に記載する範囲内で自由に組み合わせることができる。
【００３５】
炭素（０．０２〜０．０４％）
炭素は鋼の強度および硬さを向上するのに有効である。一方、その含有率が高過ぎると、熱間加工後に冷却した後の鋼の切削加工が困難になる可能性がある。Ｃは、最小含有率を０．０２％、好ましくは少なくとも０．０２５％とすべきである。炭素の上限値は０．０４％、好ましくは０．０３５％である。定比含有率（nominal content）は０．０３０％である。
【００３６】
ケイ素（０．１〜０．４％）
ケイ素は脱酸に使用される。Ｓｉはまた、フェライトを強化する。したがってＳｉは０．４５％までに限定される。上限値は、０．４０、０．３５、０．３４、０．３３、０．３２、０．３１、０．３０、０．２９または０．２８％とすることができる。下限値は、０．１２、０．１４、０．１６、０．１８または０．２０％とすることができる。好ましい範囲は０．１５〜０．４０％および０．２０〜０．３５％である。
【００３７】
マンガン（０．１〜０．５％）
マンガンは鋼の焼入れ性の向上に寄与する。含有率が低過ぎると焼入れ性が過度に低下する可能性がある。マンガンは、硫黄含有率が高い場合、赤熱脆化を防止する。したがってマンガンは、最小含有率が０．１０％、好ましくは少なくとも０．１５、０．２０、０．２５または０．３０％で存在すべきである。鋼のＭｎの最大含有率は０．５％、好ましくは最大で０．４５、０．４０または０．３５％とすべきである。好ましい範囲は０．２０〜０．４０％である。
【００３８】
クロム（１１〜１３％）
クロムは、鋼に耐食性を与えると共に、熱処理中により深くまで焼きが入りやすくなるように、少なくとも１１％の含有率で存在すべきである。しかしながら、Ｃｒの量が多くなると熱間加工性を低下させる高温フェライトが形成される可能性がある。下限値は１１．２、１１．４、１１．６または１１．８％とすることができる。Ｃｒの上限値は１３％であり、Ｃｒの量は１２．８、１２．６、１２．４または１２．２％に制限することができる。好ましい範囲は１１．５〜１２．５％である。
【００３９】
ニッケル（７〜１０％）
ニッケルはオーステナイト安定剤であり、δ−フェライトの形成を抑制する。ニッケルは鋼に良好な焼入れ性および靭性を付与する。ニッケルはまた、切削性および研磨性にも有利である。ニッケルは時効処理中にＡｌと一緒に微細な金属間ＮｉＡｌ粒子を形成するため、析出硬化に必須である。しかしながら、Ｎｉを過剰に添加すると、残留オーステナイトの量が高くなり過ぎる可能性がある。したがって、下限値は７．２、７．４、７、６、７．８、８．０、８．２、８．４、８．６、８．８、９．０または９．１％とすることができる。上限値は１０．０、９．８、９．６または９．４％とすることができる。好ましい範囲は８．５〜１０または９．０〜９．５％である。
【００４０】
クロム＋ニッケル（１９〜２３％）
最適な強度および靭性を得るためには、ＣｒおよびＮｉの総含有率を１９〜２３％とすることが望ましい。最小量は１９．５、２０．０、２０．５、２０．６、２０．７、２０．８または２０．９％とすることができる。上限値は２２．８、２２．７、２２．６、２２．５、２２．４、２２．３、２２．２、２２．１、２２．０、２１．９、２１．８、２１．７、２１．６、２１．５、２１．４または２１．３％とすることができる。好ましい範囲は２０．５〜２２．０％、好ましくは２０．５〜２２．０、最も好ましくは２０．８〜２１．７％である。
【００４１】
モリブデン（１〜２５％）
Ｍｏは、固溶体において、焼入れ性に非常に好ましい効果を与えることが知られている。モリブデンは高強度炭化物形成元素であると共に、高強度フェライト形成元素でもある。マトリックス中のＭｏの量を制御することにより、時効処理中の逆変態オーステナイトの形成が抑制される。こうした理由から、Ｍｏの量は１〜２％とすべきである。下限値は、１．１、１．２、１．３または１．４％とすることができる。上限値は１．９、１．８、１．７、１．６、または１．５％とすることができる。
【００４２】
モリブデンはまた、所望量のＭ２Ｍ’Ｂ２型（ここでＭおよびＭ’は金属を表す）の硬質のホウ化物を得るために、ホウ素と組み合わせてより多くの量で使用することもできる。この場合、ＭはＭｏであり、Ｍ’はＦｅである。ただし、このホウ化物は、少量のＣｒやＮｉ等の他の元素を含み得る。しかしながら、以下に示すホウ化物は単にＭｏ２ＦｅＢ２を示すこととする。
【００４３】
したがって、モリブデンの最大含有率は２５％である。ただし、ホウ化物を形成させるためにＭｏを高含有率で使用する場合、マトリックス中の固溶体のＭｏ含有率が１〜２％の範囲に維持されるように、ＭｏおよびＢの含有率のバランスをとるべきである。
【００４４】
アルミニウム（１．４〜２．０％）
アルミニウムはＮｉと組み合わせて析出硬化に用いられる。上限値は、δ−フェライトが過剰に形成しないように２．０％に制限される。上限値は１．９５、１．９０、１．８５、１．８０または１．７５％とすることができる。下限値は１．４５、１．５０、１．５５、１．６０または１．６５％とすることができる。
【００４５】
窒素（０．０１〜０．７５％）
窒素は、高強度のオーステナイトを形成すると共に、高強度の窒化物も形成する。Ｎは、窒化物分散強化型（ＮＤＳ）合金において０．７５％以下の量で使用することができる。ＮＤＳ合金はＯＤＳ合金と基本的に同じ技術で製造することができる。
【００４６】
しかしながら、ＮＤＳ以外の用途では、窒素含有量０．１５％に制限することができる。
【００４７】
驚くべきことに、本発明者らは、マトリックス中に存在するＡｌＮ粒子の少なくとも８０体積％の粒子径を４μｍ以下に限定することにより、研磨性を損なうことなく、窒素を鋼に意図的に添加することができることを見出した。好ましくは、上記粒子径は、３μｍ、２μｍまたは１μｍにさえ制限することができる。窒化物の粒子径を小さくすることにより、結晶粒微細化効果も得られる。その場合、Ｎの下限値は、０．０１１、０．０１２、０．０１３、０．０１４、０．０１５、０．０１６、０．０１７、０．０１８、０．０１９または０．０２％とすることができる。上限値は、０．１４、０．１２、１．１０、０．０８、０．０６、０．０５、０．０４または０．０３％とすることができる。しかしながら、材料が粉末形態にあり、ＡＭを用いた金型またはダイの製造に使用することが意図されている場合、窒素含有率が高過ぎると残留オーステナイトの量が高くなり過ぎる可能性があることを考慮すべきである。したがって、構造内のオーステナイト量を制限すべき用途の場合は、窒素の上限値を０．０４０、０．０３５、０．０３０、０．０２５または０．０２０％に設定することができる。
【００４８】
銅（０．０５〜２．５％）
Ｃｕは任意の元素であり、鋼の硬さおよび耐食性の向上に寄与することができる。時効処理中に形成されるε−Ｃｕ相は、析出硬化により鋼を強化するのみならず、金属間化合物相の析出速度にも影響を及ぼす。これに加えて、Ｃｕを添加することにより、より高い加工温度における金属間化合物相（ＮｉＡｌ）の成長速度がより遅くなることが分かるであろう。Ｃｕの上限値は、２．３、２．１、１．９、１．７、１．５、１．３、１．１、０．９、０．７、０．５、０．３または０．２％にさえすることができる。Ｃｕの下限値は、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８または０．９％とすることができる。
【００４９】
しかしながら、銅を鋼に一旦添加した後に取り出すことは不可能である。したがってスクラップの取り扱いが難しくなる。こうした理由から、銅は任意の元素であり、必ずしも添加が必要なわけではない。最大許容不純物含有率は、０．２、０．１５または０．１０％とすることができる。
【００５０】
ホウ素（０．００２〜２．０％）
ホウ素はステンレス鋼の焼入れ性を増大させると共に熱間加工性を向上させるために少量で使用することができる任意の元素である。したがって、上限値は、０．００７、０．００６、０．００５または０．００４％に設定することができる。
【００５１】
ホウ素は、硬質相形成元素としてより多量に使用することもできる。その場合、Ｂは、硬質相Ｍｏ２ＦｅＢ２の最小量が３％となるように、少なくとも０．２％とすべきである。Ｂの量は、合金が脆化し過ぎないように２．０％に制限される。下限値は、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．１、１．２、１．３、１．４または１．５％に設定することができる。上限値は、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８または１．９％に設定することができる。
【００５２】
硫黄（０．０１〜０．２５％）
Ｓは鋼の被削性を改善するために任意に添加される。Ｓがこの目的で使用される場合、Ｓは鋼に意図的に０．０１〜０．２５％の量で添加される。硫黄含有率がこれよりも高くなると、赤熱脆化のおそれがある。さらに、硫黄含有率が高いと、鋼の疲労特性および研磨性に悪影響が及ぶ可能性がある。したがって、上限値は０．２５％、好ましくは０．１％、最も好ましくは０．０３％とすべきである。好ましい範囲は０．０１５〜０．０３０％である。しかしながら、意図的に添加するわけでない場合、Ｓの量は後に記載する不純物含有率に制限される。
【００５３】
ニオブ（≦０．０１％）
Ｎｂは高強度の炭化物および窒化物を形成する。したがって、この元素の含有率は、望ましくない炭化物および窒化物の形成を回避するために限定すべきである。したがって、Ｎｂの最大量は０．０１％である。Ｎｂは好ましくは０．００５％に限定される。
【００５４】
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、ＨｆおよびＹ（≦２％）
これらの元素は、Ｃ、Ｂ、Ｎおよび／またはＯと一緒に化合物を形成し得る。これらは酸化物分散強化型（ＯＤＳ）合金または窒化物分散強化型（ＮＤＳ）合金の製造に使用される。その上限値は、各元素につき２％である。上限値は１．５、１．０、０．５または０．３％とすることができる。しかしながら、これらの元素がＯＤＳ合金を製造するために意図的に添加されるわけではない場合、上限値は、０．１、０．０５、０．０１または０．００５％とすることができる。
【００５５】
Ｃａ、Ｍｇ、ＯおよびＲＥＭ（希土類金属）
これらの元素は、様々な理由で、特許請求の範囲に記載の量で鋼に任意に添加することができる。これらの元素は非金属介在物を改質する目的で、ならびに／または鋼の被削性、熱間加工性および／もしくは溶接性をさらに向上させる目的でよく使用されている。その場合、酸素含有率は、好ましくは０．０３％に限定される。しかしながら、酸化物分散強化型（ＯＤＳ）合金を形成するために酸素を使用する場合は、上限値を０．８０％と高くすることができる。酸化物は、生成する粉末に、例えば、ガスアトマイズ、特に、ガスアトマイズによる反応合成（Ｇａｓ  Ａｔｏｍｉｚｉｎｇ  Ｒｅａｃｔｉｏｎ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ：ＧＡＲＳ）を用いるか、または積層造形（ＡＭ）法の最中、特に、溶融金属積層（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｍｅｔａｌ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＬＭＤ）における大気中での反応を通して、インサイチュで混合することができる。
【００５６】
不純物元素
Ｐ、ＳおよびＯは主要な不純物であり、これらは鋼の機械特性に悪影響を及ぼし得る。したがって、Ｐは、０．０５、０．０４、０．０３、０．０２または０．０１％に制限することができる。硫黄を意図的に添加しない場合、Ｓの不純物含有率は、０．０５、０．０４、０．００３、０．００１、０．０００８、０．０００５または０．０００１％にさえ制限することができる。
【００５７】
本発明の合金は任意の好適な方法で製造することができる。好適な方法の限定されない例としては：
ａ）従来の溶融冶金に続く、鋳造および熱間加工
ｂ）粉末冶金（ＰＭ）
が挙げられる。
【００５８】
ＰＭ粉末は、プレアロイ鋼を従来のガスアトマイズまたは水アトマイズに付すことにより製造することができる。この粉末は、溶射、肉盛溶接、積層造形（ＡＭ）または金属射出成形（ＭＩＭ）に使用することができる。
【００５９】
しかしながら、粉末をＡＭに用いる場合、真円度が高くサテライトの少ない粉末粒子を製造する技術を用いることが重要であるため、アトマイズ法としてはガスアトマイズが好ましい。特に、この目的には、密接に結合した（close-coupled）ガスアトマイズ法を使用することができる。
【００６０】
ＰＭにより製造された粉末は、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）により、および／または押出により固化することができる。この材料は圧縮されたままの状態で使用することも、続いて熱間加工を施した後に使用することもできる。
【００６１】
粉末粒子の最大径は、通常、５００μｍに限定すべきであり、意図された使用に応じて特定の粉末画分を使用することができる。ＡＭ用の場合、最大径は５〜１５０μｍの範囲にあり、好ましい径は１０〜１００μｍの範囲にあり、平均径は約２５〜４５μｍである。ＭＩＭ用の場合は、好ましい最大径は５０μｍであり、溶射用の場合は、好ましい範囲は３２〜１２５μｍおよび２０〜９０μｍであり、肉盛溶接用の場合は、好ましい範囲は４５〜２５０μｍである。
【００６２】
ＡＭ法の中でも関心が寄せられている主要な方法は、溶融金属積層（ＬＭＤ）、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）および電子線溶融（ＥＢ）である。ＡＭには粉末の特性も重要である。ＩＳＯ  ４４９７に準拠してカムサイザーで測定された粉末の粒子径分布は次に示す要件を満たすべきである（単位：μｍ）：
５≦Ｄ１０≦３５
２０≦Ｄ５０≦５５
Ｄ９０≦８０。
【００６３】
好ましくは、粉末は次に示す要件を満たすべきである（単位：μｍ）：
１０≦Ｄ１０≦３０
２５≦Ｄ５０≦４５
Ｄ９０≦７０。
【００６４】
より好ましくは、粗大画分Ｄ９０は≦６０μｍまたは≦５５μｍにさえ限定される。
【００６５】
粉末は高い真円度を有すべきである。真円度（ＳＰＨＴ）はカムサイザーにより測定することができ、ＩＳＯ  ９２７６−６に規定されている。ＳＰＨＴ＝４πＡ／Ｐ２（式中、Ａは粒子の投影面積の測定値であり、Ｐは粒子の投影像の周長／輪郭の長さの測定値である）。平均ＳＰＨＴは、少なくとも０．８０であるべきであり、好ましくは、少なくとも０．８５、０．９０、０．９１、０．９２、０．９３、０．９４または０．９５にすることさえできる。加えて、ＳＰＨＴ≦０．７０の粒子は５％以下とすべきである。好ましくは、上記数値は、０．７０未満、０．６５未満、０．５５未満または０．５０未満にさえすべきである。ＳＰＨＴに加えて、アスペクト比は、粉末粒子の分級に用いることができる。アスペクト比はｂ／ｌとして定義され、ここでｂは、粒子投影像の最短幅であり、ｌは最長径である。平均アスペクト比は、好ましくは、少なくとも０．８５とすべきであり、より好ましくは０．８６、０．８７、０．８８、０．８９または０．９０とすべきである。
【００６６】
本発明の合金は、マルテンサイト系マトリックスを有する析出硬化系鋼であり、δ−フェライトやオーステナイト等の他の微細組織も含むことができる。オーステナイトは残留および／または逆変態オーステナイトを含むことができる。
【００６７】
本発明の合金は４２５〜６００℃の範囲の温度で時効処理することにより、約３４〜５６ＨＲＣの範囲の所望の硬さに硬化させることができる。
【００６８】
δ−フェライトの量は、熱間加工性を損なわないように、好ましくは≦７体積％、好ましくは≦５体積％、より好ましくは≦３体積％に制限すべきである。
【００６９】
オーステナイトは、以下に示すオーステナイトにおいては、残留および／または逆変態オーステナイトから構成される。アトマイズにより製造されたプレアロイ粉は多量のオーステナイトを含み得るが、例えば、オーステナイト含有率が寸法安定性に関する問題を引き起こし得るほど高過ぎるおそれがある場合、最終部品のオーステナイトの量は溶体化処理および／または時効処理により低下させることができる。したがって、微細組織中のオーステナイトの量は、２２、２０、１８、１６、１４、１２、１０、８、６、４または２体積％に限定することができる。しかしながら、オーステナイトは材料の機械特性、特に靭性に好ましい影響を与えることから、多くの用途に望ましい微細組織成分である。
【００７０】
本発明の合金は４２５〜６００℃の温度範囲で時効処理することにより約３４〜５６ＨＲＣの範囲の所望の硬さに硬化させることができる。
【実施例】
【００７１】
実施例１
従来法による加工
合金を従来法である誘導溶解、鋳造および鍛造により製造した。合金の組成を次に示す（単位：ｗｔ．％）：Ｃ：０．０３、Ｓｉ：０．３、Ｍｎ：０．２、Ｃｒ：１２．０、Ｎｉ：９．３、Ｍｏ：１．４、Ａｌ：１．７、Ｎ：０．０１７、残部：Ｆｅおよび不純物。本発明の合金を、市販の鋼種であるＰＨ  １３−８Ｍｏ（Ｂｏｅｈｌｅｒ  Ｎ７０９）鋼と比較した。比較用合金は次に示す組成式を有していた（単位：ｗｔ．％）：Ｃ：０．０３、Ｓｉ：≦０．０８、Ｍｎ：≦０．０８、Ｃｒ：１２．７、Ｎｉ：８．１、Ｍｏ：２．２、Ａｌ：１．１、残部：Ｆｅ。
【００７２】
本発明の合金は、比較用鋼とは、主としてマトリックスに溶解しているＭｎ、Ｓｉ、ＡｌおよびＮの量が多く、Ｍｏの量が少ない点が異なる。
【００７３】
本発明の鋼および比較用鋼を両方共５０ＨＲＣに硬化させ、標準的な寸法である１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍの試験片を用いて衝撃試験（ノッチなし）に付した。本発明の合金は衝撃強さ（ノッチなし）が２５５Ｊであり、一方、既知の鋼は衝撃強さが１２０Ｊしかないことが判明した。
【００７４】
この差の理由は現時点では完全に分かっていない。しかしながら、マトリックス組成の僅かな違いが析出速度の差を生み、析出物の種類および分布が変化するようである。Ｍｏの含有率をより低くすると、熱処理中に逆変態オーステナイトが生成する可能性を低下させることもでき、それによって、高Ｍｏおよび高Ｃｒ炭化物が析出する可能性も低下する。Ａｌを添加することにより、靭性に有利な結晶粒微細化も起こる。したがって、これらの因子の１つまたは複数が組み合わさることにより本発明の鋼の靭性が向上するようである。
【００７５】
実施例２
粉末製造
実施例１の合金と類似の組成を有するベース（ｂａｓｅ）合金を、誘導溶解、鋳造および鍛造による従来法により製造した。この合金をＥＳＲ再溶解させることにより得られたインゴットを真空誘導溶解に付し、ＡＭ加工に適した粉末を得るためにコンファインド型のガスアトマイズ法を実施した。アトマイズにおけるガス対金属の重量比は３：１とした。酸素混入を回避するため、アトマイズには高純度（６Ｎ）の窒素ガスを使用した。得られた粒子の粒子径および形状について、ＩＳＯ  １３３２２−２に準拠する動的画像解析により調査した。５０μｍを超える粒子および２０μｍよりも小さい粒子を除去するために粉末を篩別した。篩別後の粉末は次に示す粒子径分布を有していることが分かった：Ｄ１０：２３μｍ、Ｄ５０：３４μｍ、Ｄ９０：４９μｍ。平均真円度は０．９５であり、平均アスペクト比は０．９３であった。粉末の酸素含有率は０．０２１％であり、窒素含有率は０．０１３％であった。この粉末の形態を走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）により調査したところ、粉末はほぼ完全な球形であり、サテライトはごく少量であることが分かった。
【００７６】
見掛け密度（ＡＤ）は４．３ｇ／ｃｍ３であり、タップ密度（ＴＤ）は５．２  ４．３ｇ／ｃｍ３であった。
【００７７】
したがって、生成した粉末はＡＭ加工に適していると期待される。
【００７８】
実施例３
積層造形
ＥＯＳ  Ｍ２９０システムにおいて、次に示す加工パラメータを用いてＳＬＭにより部品を造形することによりこのＡＭ用粉末の適性を試験した：積層ピッチ３０μｍ、レーザー出力１７０Ｗ、走査速度１２５０ｍｍ／ｓ、ハッチ間隔０．１０ｍｍ。走査パターン（ｈａｔｃｈ  ｍｏｄｅ）はストライプとした。
【００７９】
こうして得られた造形まま試料（as-built sample）の密度は理論密度（ＴＤ）の９９．４％であり、硬さは室温で３５ＨＲＣであった。試料中のオーステナイトの量は約２３％であった。ＥＢＳＤによるＳＥＭ観察を行ったところ、オーステナイト相の粒子径は極めて微細であり、マルテンサイトブロックの境界に分散していることが判明した。
【００８０】
造形した試料の熱処理による影響を調査した。５２５℃で４時間時効処理した後のオーステナイトの量は１６体積％に低下した。一方、その前に８５０℃で３０分間溶体化処理を行った場合、オーステナイトの量は４体積％に低下した。溶体化処理および時効処理を行った試験片の硬さは５０ＨＲＣであった。
【００８１】
つまり、溶体化処理および時効処理を行った試験片の硬さは実施例１の従来法で製造した試験片と同等となった。この理由は、おそらく、従来法で製造した試料のオーステナイト含有率も同様に約体積４％であったことにある。したがって、溶体化処理および時効処理を行ったＡＭ試験片と、実施例１において従来法で製造した鋼との機械特性を比較することにした。
【００８２】
強さおよび伸び値を一軸引張試験にて測定し、衝撃靭性をシャルピー試験（Ｖノッチ付き）にて測定した。結果を次の表１に示す。ＡＭにより製造された材料は、従来法で製造された材料よりも衝撃靭性がかなり高いことと、他の機械特性値は同等であったこととが分かる。
【００８３】
【表９】
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【００８４】
腐食試験および摩耗試験から、２種類の試料は同程度に良好であったことが判明した。研磨性も調査したところ、ＡＭ材料は極めて優れた研磨性を示すことが分かった。酸素含有率はＡＭ材料の方が約１０倍高かったが、両方の材料は同程度の高品質な光沢面を達成することが可能であった。しかしながら、驚くべきことに、ＡＭ材料はより少ない工程およびより短い時間の研磨で同等の光沢を得ることができたという点で、ＡＭ材料は研磨がはるかに容易であることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明の鋼は良好な耐食性および均一な硬さが求められる大型の金型またはダイに有用である。本発明の鋼は、ＡＭによる物品の作製に特に適している。
【国際調査報告】
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